O táboře Klubu NATURA, který působí na naší škole, jsme již psali. S jeho organizátory jsme se dohodli, že zde naznačíme, jak takové vzdělávání probíhá a co mohou přírodovědní nadšenci na těchto akcích zjistit. Následující text pro nás sepsal lektor jednoho terénního cvičení doc.  RNDr.  Jan Pokorný, CSc., jenž se zaměřuje na ochranu životního prostředí, zejména na udržitelnost vody v krajině.

V pondělí 8. července a v úterý 9. července jsme na táboře Klubu NATURA Dvůr Králové sledovali, jak rostliny chladí sebe a své okolí. Ukázali jsme si, že lze věci rozumět a rozdíly teplot vysvětlit.

Co ukazují termovizní snímky?

Slunce ohřívá Zemi o 290 °C. Bez sluneční energie by byla atmosféra tuhá, voda v oceánech zmrzlá. Teplota by se blížila absolutní nule. Sluneční energie pohání oběh vody, proudění vzduchu. Díky sluneční energii se na Zemi vyvinul život a vytvořila se biosféra. Díky sluneční energii je na Zemi život a rozsah teplot, kdy existují tři fáze/skupenství vody.

V létě přichází v mírném pásmu na povrch země až 7x více energie než v zimě. Proto je zima zimou a léto létem. Za jasného dne v létě je nám horko, chráníme se před sluncem. Víme kolik sluneční energie přichází, dokážeme jí měřit? Může člověk nějakým způsobem měnit distribuci sluneční energie? Může člověk tlumit extrémní letní teplotu ve svém okolí?

Na metr čtvereční přicházelo až 1000 W sluneční energie. Množství přicházející sluneční energie (intenzita slunečního svitu) lze snadno měřit. Za jasného dne přichází na každý metr čtvereční energie vařiče středního výkonu. Tato energie ohřívá karoserii auta na 63,3 °C, povrch vyšlapaného trávníku na 41,2 °C. Osluněná dřevěná čelní stěna chaty má teplotu 62 °C. Lidské postavy mají povrchovou teplotu od 33,6 do 40,6 °C (osluněný volný tmavý oděv má povrchovou teplotu vyšší, než je teplota tělesná). Pozoruhodná je povrchová teplota stromů v pozadí, je nižší než 30 °C.

Přešli jsme do stínu stromů, převážně olší, nedaleko v údolí potoka. Lidské postavy zde mají nejvyšší teplotu (29,2 °C, resp. 28,5 °C až 33,5 °C). Teplota povrchu cesty a stromů v okolí je nižší, nedosahuje 25 °C).

1) Jak vysvětlíte rozdíl mezi vysokou povrchovou teplotou karoserie auta, obnažené půdy, dřevěné stěny chaty (až 60 °C) a nízkou teplotu osluněného povrchu stromů a stínu stromů (pod 30 °C)?

2) Jaký je rozdíl mezi stínem stromu a stínem slunečníku zelené barvy a stejného poloměru, jako má strom?

3) Někdo naříká, že ze stromu padá listí. Nahradíme tedy strom věrnou kopií z plastu. Bude nějaký rozdíl v létě za slunného počasí v teplotě pod tímto plastovým stromem a stromem živým?

Pro exaktní (vědecké, správné, přesné) vysvětlení potřebujete zopakovat znalosti z fyziky 8.a 9. třídy:

Skupenské, latentní, výparné teplo vody je 2,45 MJ na 1 kg vody (2450 kJ : 3600 = 0,68 kWh). Na vypaření 1 litru vody je tedy potřeba 0,68 kWh energie. Tato energie se neprojeví jako teplo zjevné, ale je skryta (latentní) ve vodní páře.

Jak tedy odpovíme na otázky?

1) Změřili jsme, že na jeden metr čtvereční dopadá až 1000 W sluneční energie. Pokud je slunce zastíněno mrakem, přichází 500 W/m2 i méně a při zatažené obloze naměříme 100 W/m2 i méně.

Karoserie auta, obnažená půda, dřevěná stěna chaty absorbuje (pohlcuje) sluneční energii a ohřívá se na vysokou teplotu. Od ohřátého povrchu se ohřívá vzduch. Ohřátý povrch také vyzařuje vůči obloze (sálá) dlouhovlnné záření. Výsledkem je teplota až 60 °C. Živý strom zásobený vodou se ochlazuje výparem vody. Strom přijímá vodu kořeny, voda prochází cévními svazky kmenem až do listů a vypařuje se z listů přes průduchy. Tak strom ochlazuje sebe i své okolí. Na výpar 1 litru vody se spotřebuje přibližně 0,68 kWh sluneční energie. Z jednoho metru čtverečního porostu se vypaří za den například 3 litry vody. Na výpar se tedy na 1 metr čtvereční spotřebovaly za den 2 kWh sluneční energie. Tato energie je uložena/skryta (latentní) ve vodní páře a neprojevila se jako teplo (nestoupla teplota) a uvolní se až při kondenzací vodní páry zpět na vodu kapalnou. Rychlost výparu vody (transpirace) rostlinami stoupá s příkonem sluneční energie. Průměrná rychlost výparu je 100 mg/m2.s-1, na takový výpar se spotřebovává 240 W. Tato energie se neprojevuje jako teplo.

2) Strom má nižší teplotu a stín stromu je proto chladnější. Živý strom i slunečník odrážejí částečně sluneční záření. Strom má hodně listů (větší plochu nežli slunečník) a odráží sluneční energii méně než materiál slunečníku. Listy ovšem vypařují vodu a sluneční energie je skryta jako latentní teplo ve vodní páře. Tak se sluneční energie přenáší do noci a rána (uvolní se pří tvorbě rosy) nebo vodní pára stoupá vzhůru, ochlazuje se až dosáhne hodnoty rosného bodu, vodní pára se sráží (kondenzuje) na kapky vody a energie se uvolňuje jako teplo. Strom o poloměru koruny 3 metry zaujímá plochu (plošný průmět) přibližně 28 metrů čtverečních. Pokud se za den z každého metru čtverečního vypařily 3 litry vody, vypařilo se celkem 84 litrů vody a na výpar se spotřebovalo 57 kWh sluneční energie (84 x 0,68). Tato energie se neprojevila jako teplo.

3) Odpověď na třetí otázku je jednoduchá. Věrná kopie stromu z plastu se nechladí výparem a bude mít zřetelně vyšší teplotu nežli strom živý.

Na závěr si zopakujeme, že rostliny váží fotosyntézou do své biomasy jen asi 1 % sluneční energie. Je to ovšem zásadní proces přeměny sluneční energie, protože rostlina/strom roste, zdokonaluje se, na živou rostlinu jsou navázány další organismy, které utvářejí ekosystém až biosféru. Živé organismy, ekosystémy se díky sluneční energii zdokonalují. Využívají sluneční energii k životním pochodům, k sebeutváření.

Jaké jsme používali přístroje?

Zcela vlevo je malá termovize Flir Cx , vedle ní vpravo je větší termovize Flir T 660, kterou jsme pořídili termovizní snímky, před ní je měřič sluneční energie (Solar Power Light Meter), jednotky W/m-2 (watty na m2) a od něj vpravo je IR teploměr pro měření povrchové (radiační) teploty. IR = infra red, infračervený.

doc.  RNDr.  Jan Pokorný, CSc.